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Nuova scoperta al Cern: l'acceleratore vede i pentaquark
Non sono soltanto nuove particelle osservate, ma un nuovo modo in cui i quark, costituenti fondamentali di neutroni e protoni, possono combinarsi tra loro con uno schema mai analizzato prima
LHCb, uno dei quattro grandi esperimenti del Large Hadron Collider LHC, il superacceleratore del CERN a Ginevra, ha riportato la scoperta di una classe di particelle esotiche note come pentaquark. Pubblicato oggi sul sito open access arXiv.org, lo studio che descrive questi risultati sarà disponibile sulla rivista Physical Review Letters.
"Il pentaquark osservato non è soltanto una nuova particella - ha spiegato Alessandro Cardini, responsabile dell'esperimento LHCb per l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) - ma anche un nuovo modo in cui i quark, che rappresentano i costituenti fondamentali di neutroni e protoni, possono combinarsi tra loro, ma anche un nuovo modo in cui i quark, che rappresentano i costituenti fondamentali di neutroni e protoni, possono combinarsi tra loro, in uno schema mai osservato prima in oltre cinquant'anni di ricerche sperimentali".
"Ulteriori studi delle proprietà dei pentaquark - conclude Cardini - ci permetteranno di comprendere meglio la natura di neutroni e protoni, i costituenti della materia di cui siamo fatti noi e tutto ciò che ci circonda". La nostra comprensione della struttura della materia, ricorda l'Infn, è stata rivoluzionata nel 1964, quando il fisico americano, Murray Gell-Mann, ha proposto che una categoria di particelle, note come barioni, e che comprende protoni e neutroni, fossero composti di tre oggetti chiamati quark, e che un'altra categoria, i mesoni, fossero invece formati di coppie quark-antiquark.
Gell-Mann fu insignito per questo lavoro del Premio Nobel per la fisica nel 1969. Ma il modello a quark elaborato da Gell-Mann permette anche l'esistenza di altri stati di aggregati di quark, come il pentaquark, appunto, composto da quattro quark e un antiquark. Fino ad ora, tuttavia, "nonostante una ricerca serrata durata mezzo secolo e condotta da parte di molti esperimenti in tutto il mondo, non era mai stata portata nessuna prova conclusiva dell'esistenza del pentaquark" sottolinea l'Infn.
"Approfittando della grande mole di dati forniti da LHC, e potendo contare sull'eccellente precisione del nostro rivelatore, abbiamo esaminato tutte le possibilità per questi segnali, e abbiamo concluso che si può spiegare solo con stati di pentaquark", spiega il fisico della collaborazione internazionale LHCb Tomasz Skwarnicki, della Syracuse University negli Stati Uniti, che ha coordinato lo studio. "Più precisamente gli stati devono essere formati da due quark up, un quark down, un quark charm e un anti-quark charm", conclude Skwarnicki.
La ricerca di questi nuovi agglomerati di quark dura da cinquant'anni e conta numerosi risultati che inizialmente erano sembrati positivi ma che successivamente, sottoposti a ulteriori verifiche, si sono rivelati invece inconcludenti. Ora, il risultato dell'esperimento LHCb è forte di un'analisi dei dati estremamente accurata a rigorosa, basata su un'elevatissima statistica, mai raggiunta prima, e su un'altissima precisione del rivelatore.
"L'esistenza di particelle esotiche, quelle che non riusciamo a inquadrare nei modelli che descrivono mesoni e barioni, è ormai un fatto sperimentalmente accertato: ad esempio, stati con quattro quark sono già stati scoperti in diversi esperimenti, incluso LHCb", approfondisce Pierluigi Campana, a capo della collaborazione internazionale LHCb dal 2011 al 2014. "Però adesso abbiamo una forte indicazione di qualcosa di equivalente per i cinque quark. E questo grazie alla capacità di LHCb di riconoscere la natura delle particelle, in mezzo a quella tempesta di tracce che ci è generosamente offerta dalle collisioni a LHC", conclude Campana.
"La scoperta della collaborazione LHCb, di uno stato composto da cinque quark, se sarà confermata, arriva gradita, ma non inattesa", commenta Luciano Maiani, fisico teorico fra coloro che hanno maggiormente contribuito agli studi sui quark. "Nel lavoro in cui introduceva i quark, Gell-Mann - sottolinea Maiani - aveva anche suggerito che, oltre ai mesoni noti fatti da una coppia quark-antiquark, potessero esistere particelle mesoniche composte da due coppie quark-antiquark (tetraquark) che, oltre alle particelle barioniche composte da tre quark, potessero esserci dei pentaquark".á
"Ci attende adesso -conclude Maiani- l'esplorazione di un nuovo mondo di particelle, al CERN e ai collisori elettrone-positrone in Giappone e in Cina. Speriamo di trovare, nei pentaquark, quella "pistola fumante" che convinca anche gli scettici dell'esistenza di una nuova serie di particelle subnucleari, che ci daranno informazioni cruciali sulle, ancora misteriose, interazioni forti".
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